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WISSEN | Schienenfahrzeug-Puffer

www.elsys-instruments.com

Kurt LeutwylerElsys AG

markus.jahns@schwab-vt.ch

Markus JahnsSchwab Verkehrstechnik AG

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Messungen an Schienenfahrzeug-Puffern mit ElsysPuffer zu Schienen-Fahrzeugen scheinen einfache Elemente zu sein. Jedoch werden heute von ihnen nicht nur eine uneingeschränkte Zuverlässigkeit, sondern auch optimale Eigenschaften bezüglich Absorption der Auflauf-Energie erwartet. Die in neuen Schienenfahrzeugen eingesetz-ten Puffer der Fa. Schwab Verkehrstechnik AG können als High-Tech-Geräte bezeichnet werden.

Die Absorption der Energie erfolgt hydraulisch (Funktionsweise siehe

bei Frontkupplungen). Bei hydraulischen Absorbern hilft die Auf-zeichnung von statischen Kennlinien nicht weiter. Im Idealfall wäre die Kraft über den gesam-ten Hub konstant. Man würde dadurch die kleinsten Beschleunigungswerte erreichen. Dabei wäre die Kraft proportional zum Qua-drat der Auflauf-Geschwindigkeit. Die Puffer würden immer nur bis kurz vor den Anschlag eingedrückt.Eine Messanordnung gem. Bild 1 erlaubt bei jedem Stoss alle relevanten Parameter dyna-misch zu erfassen. Es können alle acht Signa-le gleichzeitig aufgezeichnet und ausgewer-tet werden.Zwei beladene Güterwagen werden mit der Geschwindigkeit v1 und v2 gegeneinander geschoben. Die absorbierte Energie kann einfach berech-net werden.

Kinetische Energie: E = ·

(m1 · m2)(m1 + m2

v22

m1 = Masse 1 (40‘000 kg) m2 = Masse 2 (40‘000 kg) v = Geschwindigkeit (v1 + v2) Die Energie verteilt sich auf die

beiden Puffer

Die Güterwagen werden mit Hilfe einer Hyd-raulik-Anlage (nicht eingezeichnet) verscho-ben. D. h. v1 und v2 sind in etwa gleich. Mit einem Laser-Wegmess-System (Triangulati-ons-Prinzip) wird die Gesamt-Geschwindig-keit (v1 + v2) kurz vor dem Aufprall ermittelt.Alle Messgrößen werden als Signal-Verlauf vor, während und nach dem Aufprall über die Zeit aufgezeichnet. Diese werden mit dem Auswerteprogramm TranAX berechnet und für die Archivierung gespeichert. Alle Berech-nungen können mit TranAX durchgeführt werden. Kurven oder Resultate lassen sich auch direkt in EXCEL- oder WORD-Prüfberich-te übertragen.Da nicht bloß Einzelwerte erfasst werden,

sondern Kurven mit hoher zeitlicher Auflö-sung, können bei der Auswertung alle inte-ressierenden Ereignisse im Detail analysiert werden. Diese Möglichkeit ist bei der Ent-wicklung von Puffern von großer Bedeutung. Die gleiche Messanordnung kann auch zur Qualitätssicherung für Produkte-Prüfungen eingesetzt werden. Dadurch lässt sich die Einhaltung von Normen und Vorschriften nachweisen.In Bild 2 sind alle wichtigen Signale aufge-zeichnet. Man sieht was abläuft, wenn die Vorrichtung schwingt. Diese Schwingung ist fast während der ganzen Zeit, wo die Hyd-raulik aktiv ist, vorhanden. Daraus können Rückschlüsse zur Verbesserung der Hydrau-lik-Konstruktion gezogen werden.Durch Einzoomen (in der unteren Darstel-lung), können Details genau untersucht wer-den. Der Druck-Verlauf im ersten Puffer zeigt relativ hohe, kurzzeitige Spitzen.Durch Filterung bei der Auswertung (unmit-telbar in TranAX) kann das Schwingen auf den Signalen unterdrückt werden. In einem X-Y-Diagramm ist das Kraft-Signal über den jeweiligen Hub in beiden Puffern aufgezeich-net. Die jeweilige Energie entspricht der Flä-che, welche durch die Kurve umschlossen wird. Sie wurde in TranAX durch Integration aus der Kraft- und den Weg-Kurven ermittelt.In Bild 3 ist auch ersichtlich, dass dank ge-

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Bild 1: Blockschaltbild Absorber-Test(Quelle: Elsys AG)

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Bild 3: Auswertungen der Messsignale aus den Pufferprüfungen

Bild 2: Messsignale als Pufferprüfungen

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Bild 4: Irreversibel-Test an einer Frontkupplung

eigneter Puffer-Konstruktion die Beschleuni-gungen während ca. 160ms relativ konstant sind und keine extremen Maximalwerte er-reichen.Bild 4 zeigt eine andere Anwendung des Mess-Systems. Es handelt sich dabei um dy-namische Auflaufversuche mit Frontkupp-lungen.Diese Frontkupplungen der Fa. Schwab Ver-kehrstechnik AG dienen auch als reversible und irreversible Energie-Absorber. In den Frontkupplungen wird dabei die Energie von kleineren Auflaufstößen bis 10 km/h reversi-bel durch eine Hydraulik aufgenommen. Bei schnelleren Aufstößen wird die Energie durch irreversible Crashelemente absorbiert.Bild 5 zeigt das Prinzip des hydraulischen Stoßdämpfers. Unter Last fließt ein Teil des Öls aus dem Ölraum (1) über eine Blende (4) und ein Multiplikatorventil (5) in den Ölraum (2) und drückt dort eine Gasfeder (3) zusam-men. Die Blende und der Druck in der Gas-feder bestimmen das dynamische Verhalten des Dämpfers.Größere Stöße (Unfallkollisionen) bis 36 km/h führen dazu, dass eine hydraulische

Sollbruchstelle aktiviert und die Zug- und Stoßvorrichtung (ZSV) Ihren maximalen Hub freischaltet. Zusätzlich führt nach Erreichen des maximalen Hubes ein erneuter Anstieg der Kraft (Endanschlag innerhalb der ZSV) zum Lösen von Sollbruchstellen. Diese Soll-bruchstellen sind notwendig, um die Kolli-sionsanforderungen, die durch Normen an die modernen Schienenfahrzeuge gestellt werden, zu erfüllen.Beim Ansprechen dieser Sollbruchstellen tre-ten nur kurze Kraftspitzen auf. Mit dem Auswerteprogramm TranAX können diese kurzen Kraftspitzen zuverlässig erfasst und ausgewertet werden.Parallel zu den Aufzeichnungen der Messda-ten wurden auch Filmaufnahmen mit einer Hochgeschwindigkeits-Kamera durchgeführt. Im Auswerteprogramm TranAX zum Datener-fassungs-System können danach die gemes-senen Kurven synchron zum Video-Film ana-lysiert werden.Da Wegmess-Sensoren für die schnellen Zu-sammenstöße zu träge sind wurde die Ge-schwindigkeit und der Weg-Verlauf mit Hilfe der Filmaufnahmen ermittelt.

Zusammenfassung

Das dynamische Verhalten von Puffern und Kupplungen im Bereich der reversiblen und irreversiblen Energieabsorption wird seit vie-len Jahren auf dem dynamischen Prüfstand bei der Firma Schwab Verkehrstechnik AG ge-testet und optimiert. Von großer Bedeutung ist bei solchen Versuchen die zuverlässige Er-fassung der wesentlichen Messsignale.Das benutzerfreundliche Auswerteprogramm TranAX spielt bei der Durchführung von Versuchen mit aktuellen und zukünftigen Neuentwicklungen eine wesentliche Rolle, um den steigenden Anforderungen und der Weiterentwicklung im Bereich der Energie-aufnahme bei Puffern und Frontkupplungen gerecht zu werden. <

SummAry

Measurements on railway-vehicle buffers using Elsys transient record-ers, interpretation software and high-speed video recordings

Schwab Verkehrstechnik AG teststhe dynamic behavior of buffers and couplers since many years on the in-house test facil-ity. The reliable acquisition of the important measuring data is of great importance when such tests are made. The user-friendly software TranAX is an optimal tool to analyse the test results and plays an important part in the development of buffers and couplers.

Bild 5: Hydraulischer Stoßdämpfer